电梯课程设计.doc

PLC控制技术课程设计说明书 题 目： PLC控制电梯系统 系 部： 专 业： 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师: 20 年 月 日PLC控制技术课程设计说明书目 录1 设计任务与要求11.1 设计任务11.2 设计要求12 电梯的具体介绍12.1 电梯的定义及组成12.1.1 电梯的定义12.1.2 电梯的组成及功能12.2 电梯的工作原理22.3 电梯的原理22.3.1 电梯的结构原理22.3.2 拽引系统32.3.3 导向系统32.3.4 门系统32.3.5 轿厢42.3.6 重量平衡系统42.3.7 电力拖动系统42.3.8 电气控制系统42.3.9 安全保护系统42.4 电梯的PLC控制系统的功能分析42.5 电梯PLC控制系统的解决思路53 电梯硬件设计53.1电梯的控制要求53.2 可编程控制器机型的选择63.3 输入/输出点分配73.4 PLC外部接线图83.4.1 变频器自学习功能的应用方法83.4.2 变频器容量计算93.4.3 变频器制动电阻参数的计算94 电梯软件设计94.1 PLC的编程语言94.2 程序设计常用方法104.3 系统结构框图114.3.1 电梯开关门流程图114.3.2 电梯上升下降流程图12总 结13参考文献141 设计任务与要求1.1 设计任务用plc控制五层楼的电梯，实现电梯的各项功能1.2 设计要求完成PLC设计的总体方案、系统硬件框图设计、系统硬件电路设计、系统软件设计2 电梯的具体介绍2.1 电梯的定义及组成2.1.1 电梯的定义一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。2.1.2 电梯的组成及功能现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重，电动机驱动曳引轮使轿厢升降。电梯要求安全可靠、输送效率高、平层准确和乘坐舒适等。电梯的基本参数主要有额定载重量、可乘人数、额定速度、轿厢外廓尺寸和井道型式等。曳引系统 : 曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成,曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。 导向系统:导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。轿厢:轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。门系统：门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成.重量平衡系统：系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。 电力拖动系统：电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。电气控制系统：电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。安全保护系统：保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由限速器，安全钳，缓冲器，端站保护装置组成。2.2 电梯的工作原理曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。安全装置保证电梯运行安全。2.3 电梯的原理2.3.1 电梯的结构原理电梯是机、电一体化产品。其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构，图3.1所示是电梯的基本结构剖视直观图。从电梯空间位置使用看，由四个部分组成：依附建筑物的机房、井道；运载乘客或货物的空间轿厢；乘客或货物出入轿厢的地点层站。即机房、井道、轿厢、层站。电梯的基本结构如图3-1所示。1控制柜(屏) 2一拽引机 3拽引钢丝绳 4限速器 5限速器钢绳 6限速器张紧装置 7轿厢 8安全钳 9轿厢门安全触板 10导轨 11对重 12厅门13缓冲器图3-1 电梯的基本结构2.3.2 拽引系统电梯拽系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。主要由拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。拽引机为电梯的运行提供动力，由电动机，拽引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。拽引钢丝的两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和拽引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加拽引力。2.3.3 导向系统导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。2.3.4 门系统门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架，等组成，层门设在层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。2.3.5 轿厢轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。它是有轿厢架和轿厢体组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定2.3.6 重量平衡系统重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。2.3.7 电力拖动系统电力拖动系统由拽引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。拽引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或者直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置对拽引电机进行速度控制。2.3.8 电气控制系统电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜上。操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到同一平面的操作。位置显示装置是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯，厅门指示灯还用尖头指示电梯的运行方向。 2.3.9 安全保护系统安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护装置。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现。2.4 电梯的PLC控制系统的功能分析 整个升降电梯控制系统的组成由核心控制元件PLC、电机马达开关、开关、按钮、指示灯、和外部光电传感器等元部件组成。其中由面板旋钮开关或带锁的钥匙旋钮开关选择整个系统的工作状态，通过状态安全继电器的得电或失电来区分自动运行和手动运行的输出电源的通和断。这样就使得系统只有在自动运行状态下时PLC的输出端子才有输出电压，当系统在手动运行状态下时，PLC输出端子上无输出电压。马达开关作用为当系统指令电机以工频方式工作时，起到保护电机的作用。人机界面能够方便操作人员对设备进行操作和监控，实时显示设备工作状态。指示灯向PLC传输外部状态信号，指示电梯的工作状态。自动化控制系统中的安全部分的紧急停止按钮拥有最高的设备输出中止权，即无论在手动还是自动状态下，只要紧停按钮被按下，设备都会立即停止任何动作。电梯井除了在高处和低处安装了感应电梯吊篮位置的光电传感器，还在井架极限高位和极限低位安装了机械式的行程限位开关，确保电梯轿厢不发生冲顶和撞底事故。2.5 电梯PLC控制系统的解决思路电梯系统电气部分的主要组成就是电机拖动，信号元件以及轿内和外部的控制按扭。如何合理的设置和使用这些资源，对于解决这类问题至关重要。设计中首先要了解控制对象的特点，从而确定有关的PLC输入、输出点的选择。对于一个四层电梯的控制，要解决的主要问题包括以下几个方面：（1）轿内按扭以及各层门厅按扭的设置；（2）电梯运行位置的监测；（3）电梯和各层门厅开关门状态的监测；（4）确定控制的逻辑。通过上述问题的分析，可以完成对所需PLC的控制点数的选择，同样作为一个逻辑控制为主的系统，需要将被控电机作为唯一的控制目标，所有的逻辑实现都是针对这一目标进行的，而对此目标的控制又分成了正向/反向。当电梯轿内或门厅呼叫按钮按下时，根据监测到的上行或下行指令给出 相应的信号，从而控制电梯的驱动电机进行相应的动作。当有多个呼叫信号到达时，执行方式为优先响应电梯运行方向上的信号，再响应另一方向信号。对未及时响应的信号要进行保留。3 电梯硬件设计3.1电梯的控制要求上行要求：1.当电梯停于1层或2层、或3层时，按S4按钮呼梯则电梯上升至LS4停。2.当电梯停于1层，若按S2按钮呼梯，则电梯上升LS2停，若按S3按钮呼梯，则电梯轿箱上升至LS3停。3.当电梯停于2层，若按S3按钮呼梯，则电梯上升到LS3停，4.当电梯停于1层而S2、S3按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后继续上升到LS3停。5.当电梯停于2层，而S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4暂停。6.当电梯、停于1层，而S2、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后，继续上升到LS4停。7.当电梯停于1层，而S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4停。8.当电梯停于1层，而S2、S3、S4按钮均有人呼梯时，电梯上升到LS2暂停5秒后继续上升到LS3暂停5秒后继续上升到LS4停。下行要求：9.当电梯在4层或3层或2层时，按S1呼梯，则电梯下降到LS1停。10.当电梯停于4层，若按S3呼梯，则电梯下降到LS3停，若按S2呼梯，则电梯下降到LS2停。11.当电梯停于3层，若按S2按钮呼梯，则电梯下降到LS2停止。12.当电梯停于4层，而S2、S3按钮均有人呼梯时，电梯下降到LS3暂停5秒后继续下降至LS2停。13.当电梯停于4层，而S3、S1均有人呼梯时，电梯下降到LS3暂停5秒，继续下降到LS1停止。14.当电梯停于4层，而S3、S2、S1按钮均有人呼梯，则电梯下降到LS3暂停5秒继续下降到LS2暂停5秒后，继续下降到LS1停止。15.当电梯停于3层，而S2、S1按钮均有人呼梯，则电梯下降到LS2暂停5秒后继续下降到LS1停止。16.当电梯停于2层，而S1、S3、S4按钮均有人呼梯，则电梯先下降至LS1暂停5秒后，再上升。17.当电梯停于3层，而S1、S2、S4按钮均有人呼梯，则电梯先下降至LS2暂停5秒后，继续下降到LS1暂停5秒，再上升至LS4停止。注：选择方向与运行方向不一致时，呼叫无效，内选同上。3.2 可编程控制器机型的选择为了完成设定的控制任务,主要根据电梯控制方式与输入/输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型。本系统为四层楼的电梯,采用集选控制方式。所需输入/输出点数与内存容量估算如下:1输入/输出点的估算：采用PLC构成四层简易电梯电气控制系统。电梯的上、下行由一台电动机拖动，电动机正转为电梯上升，反转为下降。一层有上升呼叫按钮K1和指示灯H1，二层有上升呼叫按钮K2和指示灯H2以及下降呼叫按钮K4和指示灯H4，三层有上升呼叫按钮K3和指示灯H3以及下降呼叫按钮K5和指示灯H5，四层有下降呼叫按钮K6和指示灯H6。一至四层有到位行程开关SQ1SQ4。电梯内有一至四层呼叫按钮K10K7和指示灯H10H7；电梯开门和关门按钮SB5和SB6，电梯开门和关门分别通过电磁铁KM3和KM4控制，关门到位由行程开关ST1检测，开门到位由行程开关ST2检测。轿厢上行和下行由接触器KM1和KM2控制，并有上行记忆和下行记忆两路指示灯。输入点共有14个，输出点共有16个,总共30个。2. 内存容量的估算用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入/输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。因此,在用户程序编写前只能根据输入/输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。本系统有开关量I/O总点数有30个，模拟量I/O数为0个。利用估算PLC内存总容量的计算公式: 存字数=开关量I/O总点数(1015)+模拟量I/O总点数(150250)再按30%左右预留余量。估算本系统需要约1K字节的内存容量。综合I/O点数以及内存容量，S7200的CPU226输入，输出点数为2416，足以满足要求。3.3 输入/输出点分配该系统占用PLC的30个I/O口，14个输入点，16个输出点，具体的I/O分配如表4-1所示。表4-1 I/O分配表序号名 称输入点序号名 称输出点0一层平层I0.00电梯上行记忆Q0.01二层平层I0.11电梯下行记忆Q0.12三层平层I0.22电机正转Q0.23四层平层I0.33电机反转Q0.34内呼一楼I0.44内呼一楼指示Q0.45内呼二楼I0.55内呼二楼指示Q0.56内呼三楼I0.66内呼三楼指示Q0.67内呼四楼I0.77内呼四楼指示Q0.78一层外呼上行I1.08一层外呼上行指示Q1.09二层外呼上行I1.19二层外呼上行指示Q1.110三楼外呼上行I1.210三楼外呼上行指示Q1.211二楼外呼下行I1.311二楼外呼下行指示Q1.312三楼外呼下行I1.412三楼外呼下行指示Q1.413四楼外呼下行I1.513四楼外呼下行指示Q1.514手动开门I2.014门电机正转Q1.615手动关门I2.115门电机反转Q1.716开门限位I2.217关门限位I2.318电梯上升极限位I2.4 19电梯下降极限位I2.53.4 PLC外部接线图本设计的PLC外部接线图如图4-1所示.CPU226CN的传感器电源24V(DC)可以输出600mA电流，通过核算在本设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出继电器触点容量为2A，电压范围为530V（DC）或5250V（AC）图4-1 PLC外部接线图3.5 变频器参数设置及计算3.4.1 变频器自学习功能的应用方法为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而616G5就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。3.4.2 变频器容量计算变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行选取。设电梯曳引机电机功率为P1电梯运行速度为v，电梯自重为w1，电梯载重为W2配重为W3重力加速度为g，变频器功率为P。在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2: P2 = (W1+W2-W3) g+F1 v （4-1）其中F1=K (W1+W2-W3) g+为摩擦力，可忽略不计。电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有较大裕量，可取Pl.5P23.4.3 变频器制动电阻参数的计算由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能.带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高.采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果.能耗制动电阻R1的大小应使制动电流I1的值不超过变频器额定电流的一半，即I1=U0 /R1I/2 （4-2）其中U0为额定情况下变频器的直流母线电压.由于制动电阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率.4 电梯软件设计4.1 PLC的编程语言PLC程序是PLC指令的有序集合，PLC运行程序就是按一定的顺序，执行这集合中的一条条指令。指令是指示PLC动作的文字代码或图形符号。使用的编程语言不同，这些文字代码和图形符号就不相同。但从本质上来讲，指令的实质都是二进制机器码。同普通的计算机一样，PLC的编程软件通过编译系统把PLC程序编译成机器代码。PLC提供了功能较为完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。利用PLC的编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器控制的硬件接线，也就是所谓的“可编程序”。PLC的编程语言一般有五种：顺序功能图(Sequential Function Chart)、梯形图(Ladder Diagram)、功能块图(Function Block Diagram)、指令表(Instruction List)和结构文本(Structured Text)。其中，顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)是图形编程语言，指令表(IL)和结构文本(ST)是文字语言。梯形图(LD)是目前使用最广泛的PLC图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的电路图相似，比较易于掌握、程序表达清楚，本系统PLC程序的编制采用梯形图语言。4.2 程序设计常用方法在工程中，对PLC应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用，也因各个设计人员的技术水平和喜好有较大的差异。现将常用的几种应用程序的设计方法简要介绍如下。1. 经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。经验设计法的具体步骤如下：（1） 确定输入/输出电器；（2） 确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；（3） 做出系统动作工程流程图；（4） 选择PLC指令并编写程序； （5） 编写其它控制控制要求的程序；（6） 将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。2. 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器元件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。3. 顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下：步于步之间必须用转移隔开；转移与转移之间必须用步隔开；转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。一个顺序功能图中至少有一个出初始步。4.3 系统结构框图4.3.1 电梯开关门流程图电梯开关门流程图4.3.2 电梯上升下降流程图 电梯上升下降流程图总 结此设计主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对四层升降电梯的控制。利用梯形图可以很直观的看出电梯运行过程。利用可编程控制器控制升降电梯，具有接线简单、编程直观、扩展容